JP2009250134A

JP2009250134A - 形状記憶合金アクチュエータ

Info

Publication number: JP2009250134A
Application number: JP2008099853A
Authority: JP
Inventors: Kenji Watanabe; 健司渡邊
Original assignee: Toki Corp
Current assignee: Toki Corp
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2009-10-29

Abstract

【課題】湾曲型形状記憶合金アクチュエータの湾曲は形状記憶合金の収縮力に依存しており、弾性部材が曲がっていくと、弾性力すなわち曲げを規制する力が大きくなる。さらに、形状記憶合金の形状回復力が消失した際には大きくなった弾性力が作用し、動作が急峻となる場合がある。従来通り簡易な構成で、大きな湾曲角度を得ることができ、スムーズな動作を行う形状記憶合金アクチュエータを得る。
【解決手段】柔軟で弾性を有する材料からなる細長い弾性部材と、前記弾性部材の長さ方向に沿って挿通されたワイヤ状の形状記憶合金およびワイヤ状の超弾性合金と、前記弾性部材の一方の端部に取り付けられたおもりと、前記形状記憶合金を加熱する通電加熱装置を合わせて具備した。また、前記弾性部材は前記おもりが取り付けられた側を上として直立状態とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状記憶合金を用いたアクチュエータに関するものである。

従来より細長い部材を湾曲動作させるアクチュエータとして、形状記憶合金を利用した様々なものが提案されている。中でも加熱されると収縮する形状記憶合金線を使用したアクチュエータは、形状記憶合金を通電するだけで動作し、構成も簡易にすることができる。また、部材自体を弾性部材とし、部材の長手方向に形状記憶合金を挿通した形状記憶合金アクチュエータがある（特許文献１参照）。

この形状記憶合金アクチュエータは、部材の中心軸からずれた位置に形状記憶合金線が挿通されており、形状記憶合金が収縮することにより周囲の部材も収縮し、部材が湾曲するようにされている。形状記憶合金の収縮が解除されると部材自身の弾性力により元の形状に戻る。よって駆動源および駆動後に元形状に戻すバイアス手段が部材の外部に存在せず余分なものが無く、構造も非常に簡単である。
特公平７−４９７９２

しかしながら、このような湾曲型形状記憶合金アクチュエータの湾曲は形状記憶合金の収縮力に依存しており、大きな形状記憶合金の形状回復力が必要となる。また、弾性部材が曲がっていくと、弾性力すなわち曲げを規制する力が大きくなっていく。よって曲げ角度が小さくなってしまう場合があった。さらに、形状記憶合金の形状回復力が消失した際には大きくなった弾性力が作用し、動作が急峻となる場合があった。

本発明はこのような形状記憶合金アクチュエータの特性を鑑みてなされたものであり、従来通り簡易な構成で、大きな湾曲角度を得ることができ、スムーズな動作を行う形状記憶合金アクチュエータを得ることができる。

前記課題を解決するために、本発明の形状記憶合金アクチュエータは、柔軟で弾性を有する材料からなる細長い弾性部材と、前記弾性部材の長さ方向に沿って挿通されたワイヤ状の形状記憶合金およびワイヤ状の超弾性合金と、前記弾性部材の一方の端部に取り付けられたおもりと、前記形状記憶合金を加熱する通電加熱装置を合わせて具備した。また、前記弾性部材は前記おもりが取り付けられた側を上として直立状態とした。

通電加熱装置によって形状記憶合金が収縮されると挿通された周囲の弾性部材が収縮し湾曲動作を行う。湾曲動作中は、動作を規制する力である湾曲度合いによって変化する弾性体の弾性力をおもりによる重力の湾曲方向成分の力により打ち消すことにより、湾曲可能な角度を拡大し、湾曲度合いに関わらず弾性力がほぼ一定である超弾性合金と形状記憶合金の形状回復力との力のつり合いで急峻な湾曲度合いの変化を起こすことなく動作する。

本発明によれば、簡易な構成で湾曲角度が大きくスムーズな動作を行う湾曲動作アクチュエータを得ることができる。

以下、本発明の基本構成を図示して説明する。

図１は、本発明のアクチュエータの構成図および比較図である。１０１は弾性チューブ、１０２は形状記憶合金、１０３は超弾性合金、１０４はおもりである。同図上におもり１０４が無い場合の動作状態も示した。

図２は、断面を示す構成図である。図のように形状記憶合金線１０２と超弾性合金線１０３は弾性チューブ１０１の長さ方向に挿通されており、弾性チューブ１０１の中心軸より湾曲方向側に形状記憶合金線１０２が、中心軸に対して反対側に超弾性合金１０３が挿通されている。図示しないが、形状記憶合金線１０２と回路を形成する導線が弾性チューブ１０１に同様に挿通されており、図示しない通電加熱装置と電気的に接続されており、通電加熱装置により形状記憶合金線１０２と電線の回路間に電流が流れ、加熱されるようにされている。

以下、本アクチュエータの定常状態、駆動を開始した状態、曲げ角度が増大した状態、駆動停止後の状態について記載する。

定常状態では、本発明のアクチュエータは弾性チューブ１０１が垂直に直立した状態で停止している。超弾性合金１０３、形状記憶合金１０２および弾性チューブ１０１には湾曲方向への力はかかっていない。また、おもり１０４の垂直方向の力は、超弾性合金１０３、形状記憶合金１０２および弾性チューブ１０１の垂直方向への抗力によって支えられており、直立状態を維持している。

次に本発明のアクチュエータの駆動を開始した状態について記載する。
通電加熱装置によって形状記憶合金線１０２が加熱されると、形状記憶合金線１０２が収縮し、弾性チューブ１０１の形状記憶合金１０２が挿通された側が収縮され湾曲される。

図３は、アクチュエータの駆動開始時、すなわち湾曲開始時点での応力作用状態を示している。湾曲された弾性チューブ１０１および超弾性合金線１０３には、湾曲を戻そうとする弾性力が発生し、おもりからは曲げ角度が発生したことにより、曲げ方向への力成分が生じている。このとき、弾性チューブ１０１のひずみは小さいため、弾性チューブ１０１による弾性力３０１は非常に小さい。また、おもり１０４による曲げ方向成分の力３０４は角度が浅いために非常に小さく打ち消しあう。よって、形状記憶合金線１０２の形状回復力３０２と超弾性合金線１０３の直立状態へ戻そうとする弾性力３０３とのつり合いでアクチュエータの動作は決定され、形状記憶合金の形状回復力を大きくすることで湾曲動作が継続される。

本発明のアクチュエータの湾曲角度が増大した状態について記載する。形状記憶合金線１０２の加熱が継続され、アクチュエータの湾曲角度が増大していくと、弾性チューブ１０１に加えられたひずみは非常に大きくなり、戻そうとする弾性力４０１は大きくなる。この弾性力は曲げ方向への力を規制する。しかしながら、おもり１０４の曲げ方向への成分の力４０４も大きくなっていくため、曲げを規制する力は小さくされる。また、超弾性合金線１０３の力４０３は前述のようにほぼ一定であるため、形状記憶合金１０２に求められる形状回復力４０２を大きくする必要がなく、曲げ開始時と同様に形状記憶合金線の形状回復力と超弾性合金の弾性力とのつり合いでアクチュエータの動作は変化する。

通電が停止すると形状記憶合金１０２による形状回復力４０２が消失する。これによって、曲げ方向への力はおもりによる曲げ方向成分４０４の力だけとなり、弾性チューブ１０１の戻り方向への弾性力４０１と超弾性合金の戻り方向４０３への力の合力が上回り、戻り方向への動作を開始する。

曲げ方向の際と逆に、弾性チューブ１０１の弾性力４０１は、戻り方向へ動く、すなわち、ひずみが小さくなっていくことで徐々に減少していく。また、おもり１０４の曲げ方向への力４０４も角度が浅くなって行くにつれて減少していくため、この二つの力は釣り合いを損なうことなく戻り方向への動作を行う。一方超弾性合金１０３の弾性力４０３は前述のようにほぼ一定であるから、弾性チューブ１０１は急峻な変化を起こすことなく、徐々に直立状態へ戻り動作を行う。

図５は、複数方向へ曲げ可能な本発明の形状記憶合金アクチュエータの断面を示す図である。外観形状は実施例１の形状記憶合金アクチュエータと同様である。
本実施例の形状記憶合金アクチュエータには、形状記憶合金線１０２が３本挿通されており、中心部に超弾性合金線１０３が挿通されている。

形状記憶合金１０２の通電加熱状態を制御することによって、形状記憶合金線１０２の形状回復力を調整すれば、本実施例の形状記憶合金アクチュエータは任意の方向へ湾曲動作を行うことができる。

また、形状記憶合金に通電加熱による形状回復力の制御の容易である二方向性形状記憶合金を用いれば、湾曲動作制御をより緻密に行うことができる。

本発明の形状記憶合金アクチュエータを用いれば、湾曲角度が大きい動きをスムーズに行う生物的な動作を行うアクチュエータを実現できる。

実施例１のアクチュエータの概略図である実施例１のアクチュエータの概略断面図である実施例１のアクチュエータの動作開始状態の概略図である実施例１のアクチュエータの動作状態の概略図である実施例２のアクチュエータの概略断面図である

符号の説明

１０１弾性チューブ
１０２形状記憶合金線
１０３超弾性合金線
１０４おもり

Claims

柔軟で弾性を有する材料からなる細長い弾性部材と、
前記弾性部材の長さ方向に沿って挿通されたワイヤ状の形状記憶合金およびワイヤ状の超弾性合金と、
前記弾性部材の一方の端部に取り付けられたおもりと、
前記形状記憶合金と電気的に接続された通電加熱装置と、
を有してなり、
前記弾性部材は、前記おもりの取り付けられた側を上にして直立状態とされていることを特徴とする
形状記憶合金アクチュエータ。
曲げ角度が増加するとひずみが大きくなる
弾性部材による弾性力と超弾性合金による弾性力との合力が、
形状記憶合金の形状回復力とおもりによる重力の曲げ方向成分の合力と
つり合いを取ることを特徴とする
請求項１記載の形状記憶合金アクチュエータ。
前記形状記憶合金が二方向性形状記憶合金であることを特徴とする
請求項１，２記載の形状記憶合金アクチュエータ。